地基土有效应力原理浅析

白宏涛 杨丽琛 陶健

摘要：很多工程师将土的有效应力简单地理解为土的自重应力扣除水浮力，直接采用浮重度计算，概念不清，且在复杂的地质条件下计算并不准确，本文简单的介绍地基土的有效应力原理，并通过简单算例说明静水条件下土有效应力的计算方法和有稳定渗流时土有效应力的变化。

关键词：有效应力 孔隙水压力 稳定渗流

1 土的有效应力原理

土是一种由三相物质构成的碎散材料，土的体积变化（压缩变形）和抗剪强度变化并不直接取决于土体所受到的总应力，而是取决于土的有效应力。

饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满颗粒间孔隙的水组成的两相体，当外力作用于土体后，一部分力由土骨架承担，通过土骨架颗粒间的接触面传递，称为粒间力；另一部分由孔隙中的水来承担，水不能承担剪应力，但能承受各向等压的法向应力，并可以通过连通的孔隙水传递，称为孔隙水压力。有效应力原理就是研究饱和土中这两种应力的不同性质和它们与总应力的关系。

太沙基提出了土的有效应力原理，其主要内容是：饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两部分，分别由土骨架和孔隙水来承担。

2 两种静水条件下土有效应力的计算

2.1 如图1所示，M点在静地下水位以下H2处，其总自重应力为σz=γH1+γsatH2，孔隙水压力为u=γwH2，M点有效自重应力为：

2.2 如图2所示，地面以上有深度为H1的静水，M点的总自重应力为σz=γwH1+γsatH2，孔隙水压力为u=γw（H1+H2），根据有效应力原理，M点有效自重应力为：

3 有稳定渗流时土有效应力的变化

近年来由于大量开采地下水，使很多地区的地下水分布呈十分复杂的状态，形成多层地下水，并且各层地下水间还有竖向渗流发生，本文通过算例简单分析当土中发生向上或向下的稳定渗流时，土中孔隙水压力和有效应力的计算。

3.1 如图3所示，为厚度H的饱和黏性土层，地下水位于黏性土层表面，其下为砂层，砂层中有承压水，在黏土层与砂层的界面A处安装一测压管，测压管内稳定水位高出黏性土层表面Δh，因此，黏性土层中将发生向上的稳定渗流，此时，A点的总自重应力σz=γsatH，A点的孔隙水压力u=γw（H+Δh）=γwH+γwΔh，A点的有效应力为：

与静水条件下的σz′相比较可知，在发生向上渗流时，孔隙水压力u增加了γwΔh，土的有效应力则减少了γwΔh，因为有效应力是土骨架承担的土颗粒接触点传递的应力，在发生向上渗流时，土骨架受到向上的渗透力作用，因此有效应力较静水条件下减少了渗透力γwΔh。

3.2 如图4所示，Δh为测压管内稳定水位低于黏性土表面的高度，黏性土层中将发生向下的稳定渗流，此时，A点的总自重应力σz=γsatH，A点的孔隙水压力u=γw（H-Δh）=γwH-γwΔh，A点的有效应力为：

与静水条件下的σz′相比较可知，在发生向下渗流时，将使土的有效应力增加γwΔH，同样，因为土骨架受到向下的渗透力作用，因此有效应力较静水条件下增加了渗透力γwΔH。

4 结语

4.1 在地下水位以下的土体中，计算饱和土的有效应力时，应先计算土的总应力和孔隙水压力，然后根据有效应力原理计算土的有效应力，这种方法较直接采用浮重度γ′计算，过程更清晰，准确，不易出错。

4.2 目前工程上较为常见的由于人工抽水等原因造成地下水位下降，这将使地基土的有效应力增加，土体压缩，变形增大，工程设计时应予以重视。

参考文献：

[1]李广信，张丙印，于玉贞.土力学[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2]K.太沙基著.理论土力学[M].徐志英译.北京：地质出版社，1960.

[3]凌俊峰.邻近基坑降水对索菲亚教堂地面沉降的影响[D].哈尔滨工业大学，2007.